ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ
ДЕЙСТВИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ЧЕЛОВЕКА
Теплообмен человека с
окружающей средой. Одним из необходимых условий нормальной
жизнедеятельности человека является обеспечение нормальных
метеорологических условий в помещениях, оказывающих существенное
влияние на тепловое самочувствие человека. Метеорологические
условия, или микроклимат, зависят от теплофизических особенностей
технологического процесса, климата, сезона года, условий отопления и
вентиляции.
Жизнедеятельность
человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую
среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения в
определенных климатических условиях и составляет от 85 Дж/с (в
состоянии покоя) до 500 Дж/с (при тяжелой работе). Для того чтобы
физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая
организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду.
Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к
переохлаждению организма и как следствие к потери трудоспособности,
быстрой утомляемости, потери сознания и тепловой смерти.
Одним из важных
интегральных показателей теплового состояния организма является
средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,5 °С. Она
зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат
при выполнении физической работы. При выполнении работы средней
тяжести и тяжелой при высокой температуре воздуха температура тела
может повышаться от нескольких десятых градуса до 1...2 °С.
Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает
человек, составляет +43 °С, минимальная +25 °С. Температурный режим
кожи играет основную роль в теплоотдаче. Ее температура меняется в
довольно значительных пределах и при нормальных условиях средняя
температура кожи под одеждой составляет 30...34 °С. При
неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках
тела она может понижаться до 20 °С, а иногда и ниже.
Нормальное тепловое
самочувствие имеет место, когда тепловыделение Qтп человека
полностью воспринимается окружающей средой Qтo, т.е. когда имеет
место тепловой баланс Qтп = Qro . В этом случае температура
внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция
организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтп >
Qтo), происходит рост температуры внутренних органов и такое
тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция
человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лежа), от
окружающей среды приведет к повышению температуры внутренних органов
уже через 1 ч на 1,2 °С. Теплоизоляция человека, производящего
работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5 °С и
вплотную приблизится к максимально допустимой. В случае, когда
окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит
человек (Qтп < Qтo), то происходит охлаждение организма. Такое
тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.
Теплообмен между
человеком и окружающей средой осуществляется конвекцией Qk в
результате омывания тела воздухом, теплопроводностью Qт , излучением
на окружающие поверхности Qл и в процессе тепломассообмена
(Qтм=Qп+Qд) при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи
потовыми железами Qп и при дыхании Qд:
Qтп = Qк + Qт + Qл +
Qтм.
Конвективный
теплообмен определяется законом Ньютона:
Qк =
aкFэ(tпов – tос),
где αк – коэффициент
теплоотдачи конвекций; при нормальных параметрах микроклимата αк=
4,06 Вт/ (м •°С); tпов–температура поверхности тела человека (для
практических расчетов зимой около 27,7 °С, летом около 31,5 °С); tос
–температура воздуха, омывающего тело человека; Fэ –эффективная
поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела
зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно
50...80 % геометрической внешней поверхности тела человека); для
практических расчетов Fэ= 1,8 м2. Значение коэффициента теплоотдачи
конвекцией можно определить приближенно как αк=λ/δ, где λ, –
коэффициент теплопроводности газа пограничного слоя, Вт/ (м ·°С); δ
–толщина пограничного слоя омывающего газа, м.
Удерживаемый на
внешней поверхности тела пограничный слой воздуха (до 4...8 мм при
скорости движения воздуха w = 0) препятствует отдаче теплоты
конвекцией. При увеличении атмосферного давления (В) и в подвижном
воздухе толщина пограничного слоя уменьшается и при скорости
движения воздуха 2 м/с составляет около 1 мм. Передача теплоты
конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем
выше скорость движения воздуха. Заметное влияние оказывает и
относительная влажность воздуха φ, так как коэффициент
теплопроводности воздуха является функцией атмосферного давления и
влагосодержания воздуха.
На основании
изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление
конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется
в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением,
подвижностью и влагосодержанием воздуха, т.е. Qк =f(toc;β;w;φ).
Теплопроводность
тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе
транспортирования теплоты играет конвективная передача с потоком
крови.
Лучистый поток при
теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих
человека поверхностей. Он может быть определен с помощью обобщенного
закона Стефана – Больцмана.
Для практических
расчетов в диапазоне температур окружающих человека предметов
10...60 °С приведенный коэффициент излучения Спр ≈ 4,9 Вт/ (м2 К4).
Коэффициент облучаемости ψ1-2 обычно принимают равным 1,0. В этом
случае значение лучистого потока зависит в основном от степени
черноты ε и температуры окружающих человека предметов, т.е.
Q^=f(Tоп;ε)
Количество теплоты,
отдаваемое человеком в окружающую среду при испарении влаги,
выводимой на поверхность потовыми железами,
Qn==Gnr,
где Gn – масса
выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с; r – скрытая теплота испарения
выделяющейся влаги, Дж/кг.
Данные о потовыделении
в зависимости от температуры воздуха и физической нагрузки человека
приведены в табл. 1.1. Как видно из таблицы, количество выделяемой
влаги меняется в значительных пределах. Так, при температуре воздуха
30 °С у человека, не занятого физическим трудом, влаговыделение
составляет 2 г/мин, а при выполнении тяжелой работы увеличивается до
9,5 г/мин.
Количество теплоты,
отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении
пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности
работы, выполняемой человеком, но и от скорости окружающего воздуха
и его относительной влажности, т.е. Qп=f(tос; В;w; φ; J), где
J–интенсивность труда, производимого человеком, Вт.
Таблица 1.1.
Количество влага, выделяемое с поверхности кожи и из легких
человека, г/мин
|
Характеристика выполняемой работы (по Н.К.
Витте) |
Температура воздуха, °С |
|
16 |
18 |
28 |
35 |
45 |
|
Покой, J = 100 Вт |
0,6 |
0,74 |
1,69 |
3,25 |
6,2 |
|
Легкая, J =200 Вт |
1,8 |
2,4 |
3,0 |
5,2 |
8,8 |
|
Средней тяжести, J 350 Вт |
2,6 |
3,0 |
5,0 |
7,0 |
11,3 |
|
Тяжелая, J = 490 Вт |
4,9 |
6,7 |
8,9 |
